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--- grundlagen:was_ist_waerme [2024/12/15 12:44] – [2 Das Quecksilber-Thermometer. „Temperatur“ und „Wärme“] wfeist
+++ grundlagen:was_ist_waerme [2024/12/15 12:58] (aktuell) – ['Wärme' ist eine Energieform] wfeist
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 Wir nehmen nun ein Gefäß mit Wasser, welches die Temperatur der umgebenden Luft haben möge, so dass es, sich selbst überlassen, seine Temperatur nicht ändert. Ein anderes, kleineres Gefäß von dünnem Kupfer- oder Zinnblech füllen wir mit Wasser, Öl oder einer andern Flüssigkeit, und tauchen es eine bestimmte Zeit lang in jenes größere Gefäß. Wenn wir nun mit Hilfe unseres Thermometers die Temperatur der Flüssigkeiten in den beiden Gefäßen vor und nach dem Eintauchen des kleineren in das größere bestimmen, so finden wir, dass, wenn sie von vorn herein dieselbe Temperatur besaßen, sie dieselbe Temperatur behalten; hatte dagegen die eine höhere Temperatur als die andere, so wird erstere kälter, letztere wärmer, so dass sie schließlich, wenn sie nur lange genug in Kontakt bleiben, dieselbe, sich nun nicht mehr ändernde Temperatur annehmen.
-|<WRAP box 10cm>Im allgemeinen wird die Temperatur des warmen Körpers nicht um genau den Betrag sinken, als diejenige des kalten steigt; aber jedenfalls ist klar, dass beide Erscheinungen der gleichen Ursache zuzuschreiben sind, und um diese Ursache durch Worte zu bezeichnen, wollen wir sagen: es ist „Wärme“ aus dem warmen in den kalten Körper übergegangen. Wir haben uns hier zum ersten Male des Begriffs **„Wärme“** bedient; wir haben also zu untersuchen, was man sich darunter vorzustellen hat.</WRAP>|< **Temperatur:** \\ Zustand der thermischen Erregung eines Stoffes. Gemessen mit einem **Thermometer**. \\ <sub>Bleibt geich, auch wenn ich nur Teile des Stoffes betrachte. </sub>  \\  \\ **Wärme:** \\ Thermischer Gehalt((Stellt sich im nachfolgenden Abschnitt als die thermische Energie heraus, die im Stoff enthalten ist)), den der Stoff enthält. Gemessen mit einem **Kalorimeter** (z.B. Wärmemengenzähler). \\ <sub>Verdoppelt sich z.B. bei doppelter Stoffmenge.</sub> >|
+|<WRAP box 10cm>Im allgemeinen wird die Temperatur des warmen Körpers nicht um genau den Betrag sinken, als diejenige des kalten steigt; aber jedenfalls ist klar, dass beide Erscheinungen der gleichen Ursache zuzuschreiben sind, und um diese Ursache durch Worte zu bezeichnen, wollen wir sagen: es ist „Wärme“ aus dem warmen in den kalten Körper übergegangen. Wir haben uns hier zum ersten Male des Begriffs **„Wärme“** bedient; wir haben also zu untersuchen, was man sich darunter vorzustellen hat.</WRAP>|< **Temperatur:** \\ Zustand der thermischen Erregung eines Stoffes. Gemessen mit einem **Thermometer**. \\ <sub>Bleibt geich, auch wenn ich nur Teile des Stoffes betrachte. </sub>  \\  \\ **Wärme:** \\ Thermischer Gehalt((Stellt sich im nachfolgenden Abschnitt als die thermische Energie heraus, die im Stoff enthalten ist)), den der Stoff enthält. Gemessen mit einem **Kalorimeter** (z.B. Wärmemengenzähler). \\ <sub>Verdoppelt sich z.B. bei doppelter Stoffmenge.</sub>    >|
 Abkühlung eines warmen und Erwärmung eines kalten Körpers treten, wie wir sahen, als gleichzeitige Teile eines Prozesses auf, den wir als den Übergang der Wärme von dem warmen auf den kalten Körper bezeichnen. Wärme ist also eine ‚Sache‘, welche aus einem Körper in einen andern in der Weise übergehen kann, dass der Betrag in dem ersten um ebenso viel abnimmt, als er in dem letzteren zunimmt. Führt man einem Körper Wärme zu, so nimmt im Allgemeinen seine Temperatur zu, aber manchmal werden auch andere Wirkungen hervorgebracht, z. B. Änderung des Aggregatzustandes((z.B. fest $ %%\%%longrightarrow $ flüssig)) ; und ebenso tritt, wenn man einem Körper Wärme nimmt, entweder ein Sinken der Temperatur oder Änderung des Aggregatzustandes ein; schließlich, wenn weder Wärme dem Körper zugeführt oder entzogen wird, noch auch sein Aggregatzustand sich ändert oder mechanische Wirkungen auf ihn ausgeübt werden, so bleibt seine Temperatur konstant((In der Praxis müssen wir hier 'aufpassen': 'weder Wärme dem Körper zugeführt oder entzogen wird' bedeutet nämlich, dass der Körper von seiner gesamten Umgebung thermisch streng entkoppelt ist - oder, dass diese gesamte Umgebung immer die gleiche Temperatur wie der Körper hat. Das in der Praxis zu realisieren, erweist sich oft als gar nicht so einfach. Ein bewährter Weg dazu ist, den Körper in eine hochwirksame Wärmedämmschicht einzupacken. Dann wird die Wärmezufuhr zwar nicht "Null", aber doch sehr gering. Sind wir auf "ziemlich streng Null" angewiesen, so bedient sich ein Labor der Methode der "Schutzzone": Die unmittelbare Umgebung des Körpers (Schutzzone) wird in einen Raum eingebettet, welcher über eine Regelung präzise der gemessenen Temperatur des Körpers nachgeführt wird.)) .
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 Author Nic Redhead / https://www.flickr.com/photos/somethingness/14444164142/ unter CC BY-SA 2.0}}Diesen Einblick haben wir nun in der Tat durch Experimente über Reibung gewonnen, bei denen mechanische Arbeit nicht von einem Teile der Maschine auf einen andern übertragen wurde, sondern sichtlich verloren ging, während gleichzeitig an derselben Stelle Wärme erzeugt wurde, und zwar eine Wärmemenge, welche in einem ganz bestimmten Verhältnisse zu dem Betrage der verlorenen Arbeit stand((Diese Erfahrung hat heute jeder Radfahrer, der eine lange Strecke von einem Berg herunter 'gebremst' hat. Die Bremse wandelt dabei mechanische kinetische Energie in Wärme um. Die Bremsklötze und -scheiben werden dabei schnell sehr heiß - oftmals bis zur Glut.  Wer hat ein selbst fotografiertes 'public domain' Bild dazu zur Illustration? Thanks to @TobiasBarth9 with this . Für die Praxis der Energieeffizienz: Hier wird direkt sichtbar, wo die Energie, die wir in einem Fahrzeug aufbringen, letztendlich "eigentlich" bleibt. Übrigens: Diese ganz grundsätzliche Erkenntnis hat hohe praktische Bedeutung für die beim Verkehr eingesetzte Antriebsenergie. Wir haben das hier ausführlicher dargestellt:  [[:energieeffizienz_jetzt:das_grosse_ganze#energiedienstleistung_verkehr|Energiedienstleistung Verkehr.]])) . Wir haben also Grund anzunehmen, dass die Wärme von derselben Natur wie mechanische Arbeit, d. h. dass sie eine der Formen ist, in welchen die Energie auftritt.
-<sub><**Illustration rechts**: Rennwagen bauen eine hohe (klassisch mechanische) Bewegungsenergie auf. **Beim Bremsen wird die Energie (die gesamte Energiedifferenz!) in die Energieform "Wärme" umgewandelt((Mechanische Energie lässt sich vollständig in die Energieform 'Wärme' umwandeln (z.B. durch Reibung). Der umgekehrte Prozess läuft leider nicht so problemlos, wir behandeln das später genauer: Da kommt nämlich der 2. Hauptsatz der Thermodynamik ins Spiel.)) .**Dieses Bild von Nic Redhead zeigt die glühende Bremsscheibe eines Rennwagens. J.P. Joule hatte die Umwandlung mechanischer Energie in Wärme erstmals klar beschrieben und experimentell das "Wärmeäquivalent" bestimmt - darauf greift Maxwell hier zurück. Heute ist das Phänomen "Allgemeinwissen", wenngleich im vollen Umfang seiner Konsequenz nicht wirklich verantwortlich angewendet: Das gewaltige Down-Cycling wertvoller kinetischer Energie in letztlich an die Umwelt abgeführte wertlose Wärme sollten wir besser stark reduzieren; was z.B. durch Generatorbremsung mit einem Elektrofahrzeug dann gelingt, wenn nicht allzu "sportlich" gebremst werden muss. //Verwendet unter CC BY-SA 2.0; Ausschnitt des Originalbildes.//> </sub>
+<sub><**Illustration rechts**: Rennwagen bauen eine hohe (klassisch mechanische) Bewegungsenergie auf. **Beim Bremsen wird die Energie (die gesamte Energiedifferenz!) in die Energieform "Wärme" umgewandelt((Mechanische Energie lässt sich vollständig in die Energieform 'Wärme' umwandeln (z.B. durch Reibung). Der umgekehrte Prozess läuft leider nicht so problemlos, wir behandeln das später genauer: Da kommt nämlich der 2. Hauptsatz der Thermodynamik ins Spiel.)) .**Dieses Bild von Nic Redhead zeigt die glühende Bremsscheibe eines Rennwagens. J.P. Joule hatte die Umwandlung mechanischer Energie in Wärme erstmals klar beschrieben und experimentell das "Wärmeäquivalent" bestimmt - darauf greift Maxwell hier zurück. Heute ist das Phänomen "Allgemeinwissen", wenngleich im vollen Umfang seiner Konsequenz nicht wirklich verantwortlich angewendet: Das gewaltige Down-Cycling wertvoller kinetischer Energie in letztlich an die Umwelt abgeführte wertlose Wärme sollten wir besser stark reduzieren; was z.B. durch Generatorbremsung mit einem Elektrofahrzeug dann gelingt, wenn nicht allzu "sportlich" gebremst werden muss((sogenanntes "regeneratives Bremsen")). //Verwendet unter CC BY-SA 2.0; Ausschnitt des Originalbildes.//> </sub>
 <sub><**Einschub Maxwell: Wärme kann KEINE Substanz sein**>((Hier führt Maxwell eine zum damaligen Zeitpunkt weit verbreitete irrige Auffassung von der 'Wärme' als Substanz näher aus und zeigt, warum dies die Realität nicht adäquat wiedergeben kann. Auch heute verbreiten sich manche irrigen Überzeugungen oft schnell. Maxwells Ausführungen hier sind ein gutes Beispiel, wie mit Rationalität solche Irrwege aufgefangen werden können.))  Als im Laufe des achtzehnten Jahrhunderts eine Menge neuer Erscheinungen entdeckt wurden, welche sich auf die Wirkungen der Wärme auf die Körper bezogen, während gleichzeitig die Kenntnis von den chemischen Wirkungen der Substanzen sich erweiterte, führte man das Wort „Caloricum“ ein, um die Wärme als messbare Größe zu bezeichnen. So lange man nur diese Bedeutung mit dem Worte verbindet, kann man es mit Nutzen anwenden; allein die Form des Wortes verführt leicht, es mit den Bestrebungen der damaligen Chemiker, neue „ imponderable Stoffe “ zu finden, in Verbindung zu bringen; und so kam es, dass das Wort Caloricum nicht mehr Wärme als solche, sondern Wärme als ein unzerstörbares, unwägbares Fluidum bezeichnete, welches in die Poren der Körper eindringt, sie ausdehnt, schmilzt und schließlich in Dampf verwandelt, indem es sich mit den Substanzen in bestimmten Mengen verbindet, auf diese Weise latent wird, und erst wieder zu Tage tritt, wenn sich der Zustand des Körpers wieder ändert. In der Tat, als das Wort Caloricum einmal eingeführt war, so begann man sehr bald, damit die Idee an etwas Stoffliches zu verbinden, das allerdings vermutlich viel feinerer Natur sein möchte, als die damals gerade entdeckten Gase. Diesen Gasen glich das Caloricum in seiner Unsichtbarkeit und in seiner Eigenschaft, in den festen Körpern festgehalten zu werden. Aber es unterschied sich von ihnen dadurch, dass sein Gewicht auch durch die feinsten Wagen nicht nachgewiesen werden konnte. Trotzdem gab es eine Menge hervorragender Köpfe, welche nicht daran zweifelten, dass das Caloricum ein alle Körper durchdringendes Fluidum sei, in dem man wahrscheinlich die Ursache jeder Abstoßung, und vermutlich auch diejenige der Ausdehnung der Körper im Raume zu suchen habe.\\
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 <**Ende Einschub**></sub>
-Nach dieser Abschweifung kehren wir zu dem Begriffe der „Wärme“ zurück, den wir bereits dadurch präzisiert haben, dass wir sie stets als messbare Größe aufgefasst wissen wollten. Mit der Wärme, als einem abstrakten Begriff, der die Eigenschaft warmer Gegenstände ausdrückt, hat dies hier nichts zu tun; handelt es sich also z. B. um ein gewisses Wärmegefühl, etwa die "Wärme frischer Milch", wie man sich umgangssprachlich wohl ausdrückt, so werden wir dafür stets die wissenschaftliche Bezeichnung "Temperatur" anwenden und von der Temperatur der frischen Milch sprechen. Ebenso wenig werden wir das Wort „Wärme" anwenden, um die „Empfindung der Wärme“, das „Wärmegefühl“, zu bezeichnen(("Wärme" ist damit in einem physikalischen oder technischen Kontext immer diese exakt definierte physikalische Größe, eben die thermische Energiemenge, die enthalten ist oder übertragen wird. Das macht es manchmal schwer, an umgangssprachliche Assoziationen anzuknüpfen - genau das ist aber auch notwendig, um objektivierbare Erkenntnisse von 'erschlichenen' Assoziationen zu trennen. Es zeigt andererseits die Problematik, wenn umgangssprachlich oft verwendete Worte für klar definierte physikalische Begriffe verwendet werden. Völlig vermeidbar ist dies allein schon deswegen nicht, weil nach einer gewissen Zeit jeder (auch der klar definierte) Begriff als Wort Eingang in die Umgangssprache findet und dann dort oft in assoziativem und veränderten Sinn gebraucht wird: 'Energie' ist ein Beispiel dafür und in der Fassung "emotionale Energie" wird deutlich, wie die populäre Neuschöpfung manchmal extrem von der physikalischen Bedeutung abweicht.)) .
+Nach dieser Abschweifung kehren wir zu dem Begriffe der „Wärme“ zurück, den wir bereits dadurch präzisiert haben, dass wir sie stets als messbare Größe aufgefasst wissen wollten. Mit der Wärme, als einem abstrakten Begriff, der die Eigenschaft warmer Gegenstände ausdrückt, hat dies hier nichts zu tun; handelt es sich also z. B. um ein gewisses Wärmegefühl, etwa die "Wärme frischer Milch", wie man sich umgangssprachlich wohl ausdrückt, so werden wir dafür stets die wissenschaftliche Bezeichnung "Temperatur" anwenden und von der Temperatur der frischen Milch sprechen. Ebenso wenig werden wir das Wort "Wärme" anwenden, um die „Empfindung der Wärme“, das „Wärmegefühl“, zu bezeichnen(("Wärme" ist damit in einem physikalischen oder technischen Kontext immer diese exakt definierte physikalische Größe, eben die thermische Energiemenge, die enthalten ist oder übertragen wird. Das macht es manchmal schwer, an umgangssprachliche Assoziationen anzuknüpfen - genau das ist aber auch notwendig, um objektivierbare Erkenntnisse von 'erschlichenen' Assoziationen zu trennen. Es zeigt andererseits die Problematik, wenn umgangssprachlich oft verwendete Worte für klar definierte physikalische Begriffe verwendet werden. Völlig vermeidbar ist dies allein schon deswegen nicht, weil nach einer gewissen Zeit jeder (auch der klar definierte) Begriff als Wort Eingang in die Umgangssprache findet und dann dort oft in assoziativem und veränderten Sinn gebraucht wird: 'Energie' ist ein Beispiel dafür und in der Fassung "emotionale Energie" wird deutlich, wie die populäre Neuschöpfung manchmal extrem von der physikalischen Bedeutung abweicht.)) .
 Wollen wir ausdrücken, dass eine Erscheinung oder ein Zustand sich auf die Wärme bezieht, so werden wir von einer „thermischen“ oder „Wärmeerscheinung“ respektive von einem „thermischen “ oder „Wärmezustand“ sprechen; auf diese Weise werden wir z. B. das „Wärmeleitungsvermögen der Körper“ von dem „elektrischen“, oder die „Wärmestrahlung“ von der „Lichtstrahlung“((hoch interessant ist hier, dass es gerade Maxwell war, der später erkannt hat, dass diese beiden Strahlungsarten sehr viel miteinander zu tun haben, nämlich beide nur einen anderen Teil des Frequenzspektrums der elektromagnetischen Strahlung ausmachen.))  unterscheiden. Die Lehre von der Wärme als einer Form der Energie nennt man 'Dynamik der Wärme' oder //**Thermodynamik**// , und teilt sie ein in die Lehre vom Gleichgewicht der Wärme oder Thermostatik <„stationäre Wärmelehre“> und die Lehre von der Änderung der Wärme oder <instationäre Thermodynamik>.
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 Wir haben uns hiermit zwei der Grundvorstellungen der Wärmelehre verschafft, die Vorstellung der Temperatur, oder der Eigenschaft eines Körpers, hinsichtlich seines Vermögens, andere Körper zu erwärmen; und die Idee der Wärme als einer messbaren <mengenproportionalen> Größe, welche von wärmeren auf kältere Körper übergehen kann. Die weitere Entwicklung dieser Vorstellungen werden wir in den Kapiteln über Thermometrie und über Kalorimetrie durchführen; zunächst aber müssen wir unsere Aufmerksamkeit auf den Prozess lenken, durch den Wärme aus einem Körper auf einen anderen übergeht.
-Diesen Prozess nennt man ganz allgemein //**Transport der Wärme**// ; vermöge derselben geht die Wärme stets aus einem heißeren in einen kälteren Körper über((Das ist bereits hier die empirisch gewonnene Formulierung des später so genannten "zweiten Hauptsatzes" der Thermodynamik; wir werden dies hier später genauer ausführen)) , so dass der heiße abgekühlt, der kalte erhitzt wird. Das würde so weiter gehen, bis alle Körper dieselbe Temperatur haben, wenn nicht andere Vorgänge dazwischen träten, welche, unabhängig von einem Austausche der Wärme, die Temperatur der Körper ändern, wie die Verbrennung und andere chemische Prozesse, oder irgend eine Änderung in der Form, der Struktur oder anderer physikalischer Zustände der Körper. Diese Temperaturänderungen werden wir später zu betrachten haben, wenn wir zur Beschreibung der verschiedenen physikalischen Zustände der Körper gelangen werden. Vorläufig beschäftigen wir uns nur mit dem Übergange der Wärme von einem Körper zu einem andern, d. h. mit der Übertragung der Wärme von wärmeren Stellen nach kälteren.
+Diesen Prozess nennt man ganz allgemein //**Transport der Wärme**//; vermöge derselben geht die Wärme stets aus einem heißeren in einen kälteren Körper über((Das ist bereits hier die empirisch gewonnene Formulierung des später so genannten "zweiten Hauptsatzes" der Thermodynamik; wir werden dies hier später genauer ausführen)), so dass der heiße abgekühlt, der kalte erhitzt wird. Das würde so weiter gehen, bis alle Körper dieselbe Temperatur haben, wenn nicht andere Vorgänge dazwischen träten, welche, unabhängig von einem Austausch der Wärme, die Temperatur der Körper ändern, wie die Verbrennung und andere chemische Prozesse, oder irgend eine Änderung in der Form, der Struktur oder anderer physikalischer Zustände der Körper. Diese Temperaturänderungen werden wir später zu betrachten haben, wenn wir zur Beschreibung der verschiedenen physikalischen Zustände der Körper gelangen werden. Vorläufig beschäftigen wir uns nur mit dem Übergange der Wärme von einem Körper zu einem andern, d. h. mit der Übertragung der Wärme von wärmeren Stellen nach kälteren.
 <WRAP Box> Hier kann man nun drei verschiedene Arten der Übertragung unterscheiden: Leitung, Mitführung und Strahlung.
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   - //**Leitung**//  ist der stofflose Übergang der Wärme von wärmeren Stellen eines und desselben ungleichmäßig erwärmten Körpers zu kälteren. \\
   - //**Mitführung**//  ist die bei der Bewegung eines Körpers erfolgende Mitbewegung der in ihm enthaltenen Wärme. Wird bei dieser Bewegung der Körper in die Nähe kälterer Körper gebracht, so wird er sie schneller erwärmen, als wenn jene Näherung nicht stattgefunden hätte <Im speziellen Fall, dass es sich beim bewegten Stoff um ein Fluid handelt, sprechen wir hier von „Konvektion“>. \\
-  - //**Strahlung**//  ist der Übergang der Wärme von einem wärmeren auf einen kälteren Körper durch {Vermittlung eines zwischen beiden gelegenen Mediums, welches selbst dabei nicht wärmer wird.} <**elektromagnetische Wellen**>((Hier konnte Maxwell den später Erkenntniszugewinn, zu dem  er selbst entscheidend beigetragen hat, noch nicht vorwegahnen; er verwendet daher in der geschweiften Klammer so eine Art Äther-Vorstellung, ohne sich dabei jedoch konkret festzulegen. Eine der ganz wenigen Stellen, an der Maxwell in dieser Schrift nicht bereits die auch heute aktuelle Erkenntnisauffassung darstellt.)) .
+  - //**Strahlung**//  ist der Übergang der Wärme von einem wärmeren auf einen kälteren Körper durch {Vermittlung eines zwischen beiden gelegenen Mediums, welches selbst dabei nicht wärmer wird.} <**elektromagnetische Wellen**>((Hier konnte Maxwell den später Erkenntniszugewinn, zu dem  er selbst entscheidend beigetragen hat, noch nicht vorwegahnen; er verwendet daher in der geschweiften Klammer so eine Art Äther-Vorstellung, ohne sich dabei jedoch konkret festzulegen. Eine der ganz wenigen Stellen, an der Maxwell in dieser Schrift nicht bereits die auch heute aktuelle Erkenntnisauffassung darstellt, nach der es sich um auch durch das Vakuum sich ausbreitende elektromagnetische Wellen handelt, die keine andere Natur als Lichtwellen haben, wenn auch eine andere Wellenlänge.)) .
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